JPH0463030B2 - - Google Patents
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- JPH0463030B2 JPH0463030B2 JP59256835A JP25683584A JPH0463030B2 JP H0463030 B2 JPH0463030 B2 JP H0463030B2 JP 59256835 A JP59256835 A JP 59256835A JP 25683584 A JP25683584 A JP 25683584A JP H0463030 B2 JPH0463030 B2 JP H0463030B2
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Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Description
（産業上の利用分野）
本発明は、切削用工具、耐摩耗用工具並びに自
動車、航空機のエンジンを含めた各種部品及びタ
ービン用部品のような構造用部品、更には半導体
用のマウントとして適用できる窒化ケイ素基焼結
体の製造方法に関する。 （従来の技術） 窒化ケイ素は、共有結合性の高い化合物である
ために構成原子の自己拡散係数が小さく、又、高
温で分解及び蒸発したり、更にはイオン結晶や金
属結晶に比べて粒界エネルギーと表面エネルギー
の比が大きいので本質的に難焼結材料の１つとさ
れている。そのために、窒化ケイ素にMgO、
Al2O3、Y2O3、AlNなどの焼結助剤を加えて、
反応焼結法、ホツトプレス法又は熱間静水圧加圧
（HIP）法によつて焼結されている。 （発明が解決しようとする問題点） 窒化ケイ素焼結体の製造方法の内、無加圧焼結
法又は反応焼結法は、金型、スリツプキヤスト、
ラバープレスなどで成形した粉末成形体を黒鉛板
などに置いて焼結し、ホツトプレス法は黒鉛の成
形モールドの中に窒化ケイ素を主体とする混合粉
末を詰めて圧力及び温度を加えて焼結している。
これらの方法によつて得る焼結体を更に、緻密な
焼結体にする目的で黒鉛板又は黒鉛容器内でHIP
処理する方法がとられている。このように窒化ケ
イ素焼結体の焼結工程において、窒化ケイ素が黒
鉛と接触する場合、接触部の黒鉛表面に窒化ケイ
素粉末などの離型材を塗布して焼結中、炭素によ
る焼結体への浸炭及び炭化を防止している。しか
しながら得られる焼結体表面の窒化ケイ素粒子界
面近傍には炭化ケイ素が偏在しており、この炭化
ケイ素が窒化ケイ素基焼結体の強度を劣下させる
という問題がある。 本発明は、上記のような問題点を解決したもの
で、具体的には焼結工程において焼結体中へ浸炭
した炭素を炭素との親和力の大きい元素もしくは
化合物で吸着固溶もしくは化合させて窒化ケイ素
焼結体の強度を劣化させないようにした窒化ケイ
素基焼結体の製造方法の提供を目的とする。 （問題点を解決するための手段） 窒化ケイ素焼結体は、大別すると２種類あり、
その１つはβ型（高温型）である六方晶結晶構造
の焼結体であり、他の１つはα型（低温型）であ
る三方晶結晶構造を含む焼結体である。この内、
前者は、鋳鉄を切削する切削用工具として特に効
果があり、その他耐摩耗用工具又は自動車用エン
ジン部品にと実用化が試みられており、本発明者
らも特願昭57−146582などで提案している。これ
に対して後者は、鋼又は耐熱合金などを切削する
切削用工具として特に効果があり、本発明者らは
特願昭59−33758などで提案している。 本発明者らは、この特願昭57−146582、特願昭
59−33758などの提案に基づいて更に窒化ケイ素
焼結体の高靭性化の追究を行なつたところ焼結過
程中に気相及び液相を介して圧粉体中に侵入して
くる炭素成分が圧粉体を構成している窒化ケイ素
を主体とする各成分と反応して焼結体の欠陥とな
る化合物を形成し、焼結体の強度低下になること
を確認することによつて本発明を完成するに至つ
たものである。 すなわち、本発明の窒化ケイ素基焼結体の製造
方法は、窒化ケイ素と窒化ケイ素以外の添加物で
ある焼結助剤とを含有する混合粉末を真空中又は
非酸化性雰囲気中で無加圧もしくは加圧しながら
1500℃以上の温度により焼結する製造方法におい
て、前記焼結助剤が周期律表4a，5a族金属の水
素化物並びに周期律表4a，5a，6a族金属の亜化
学量論組成の炭化物、窒化物及びこれらの相互固
溶体の中の少なくとも１種を含有していることを
特徴とするものである。この本発明の窒化ケイ素
基焼結体の製造方法は、出発原料としてα−窒化
ケイ素、β−窒化ケイ素、非晶質窒化ケイ素及び
これらの混在した窒化ケイ素を必要により使用す
ることができ、この窒化ケイ素に周期律表1a族
のLi、Na、Ｋ、Rb、Cs、2a族のBe、Mg、Ca、
Sr、Ba、Ra、3a族のSc、Ｙ、ランタノイド、3b
族のＢ、Al、Ga、In、Tl、4b族のGeの酸化物、
窒化物、窒炭化物及びこれらの相互固溶体の中の
少なくとも１種と周期律表4a族のTi、Zr、Hf、
5a族のＶ、Nb、Taの水素化物並びに周期律表4a
族、5a族、6a族の亜化学量論組成の炭化物、窒
化物、炭酸化物、窒酸化物及びこれらの相互固溶
体の中の少なくとも１種とからなる粉末を混合容
器に必要量添加する。この混合容器としては、ス
テンレス製又はセラミツクス製もしくはステンレ
スに超硬合金又はゴムなどを内張したものを使用
でき、この容器にSi2N4系、ZrO2系セラミツクス
ボール、スチールボール、超硬合金製ボールもし
くは不純物の混入を防ぐために表面被覆したボー
ルを加えて乾式で混合粉砕したり、又はヘキサ
ン、アルコール、ベンゼン、アセトンなどの有機
溶剤もしくは水を混合容器に加えて湿式で混合粉
砕できる。こうして混合粉砕した粉末は、カーボ
ン又は黒鉛製の焼結用モールドに詰めて、真空又
は非酸化性雰囲気中でそのまま直接ホツトプレス
による高周波加圧焼結、通電加圧焼結又は非酸化
性雰囲気ガス、例えばN2雰囲気ガスによる加圧
焼結によつて焼結したり、混合粉砕した粉末を金
型成形、押出成形、スリツプキヤステイングによ
る成形又はラバープレスなどの液圧成形によつて
成形した成形体もしくはこの成形体を焼結温度よ
り低い温度で予備焼結した後機械加工した成形体
を真空中又は非酸化性雰囲気中で無加圧焼結（減
圧焼結も含む）あるいは雰囲気ガスで加圧しなが
ら焼結することもできる。また、このような方法
で１度焼結したものをHIP処理を行なつて焼結体
の緻密化の促進及び強度の向上もできる。焼結温
度は、出発原料粉末の種類又は配合成分もしくは
上記製造条件によつても異なるが1500〜1900℃の
温度で相対密度100％近傍の緻密な焼結体が得ら
れる。これらの製造条件の内、焼結体中に混在し
てくる不純物は、焼結工程の他には混合粉砕工程
から混入する度合が高く、不純物の種類としては
混合容器及びボールに含有している成分で、特に
鉄属金属及び周期律表4a、5a、6a族の炭化物、
窒化物、炭窒化物などがあり、この内、特に鉄属
金属が不純物として混入する場合は、焼結体の強
度低下の原因になるために１体積％以下にするこ
とが望ましく、用途によつては製造条件の厳選に
よつて鉄属金属の不純物を0.3体積％以下にする
必要がある。 （作 用） 本発明の窒化ケイ素基焼結体の製造方法は、出
発原料として炭素との親和力が窒化ケイ素よりも
大きい化合物である周期律表4a、5a族の水素化
物並びに周期律表4a、5a、6a族の亜化学量論組
成の炭化物、窒化物及びこれらの相互固溶体の中
の少なくとも１種を含有させるもので、これらの
水素化物や亜化学量論組成の化合物が出発原料
中、主として窒化ケイ素中に含有している不純物
炭素又は焼結工程で存在すカーボンモールド、カ
ーボン発熱体などカーボン材料とによつて気相も
しくは固相反応を起こし、高硬度でかつ、高融点
である周期律表4a、5a、6a族の炭化物、炭窒化
物あるいはこれらの相互固溶体として焼結体中に
均一に分散する。このために、本発明の窒化ケイ
素基焼結体の製造方法によつて得られる焼結体
は、炭化ケイ素又はケイ素と炭素を含有した化合
物など焼結体の欠陥の起点となる化合物が大幅に
減少し、逆に周期律表4a、5a、6a族の炭化物、
炭窒化物又はこれらの相互固溶体からなる分散相
として存在しているために高硬度で高靭性の焼結
体になる。出発原料中に用いる水素化物又は亜化
学量論組成の化合物の内、特に周期律表4a、5a
族の水素化物は、焼結工程での昇温過程中約300
℃〜400℃で水素を分解して、残つた金属成分の
活性を高くし、焼結反応中に侵入拡散してくる炭
素と容易に反応して化合物となることから水素化
物を出発原料とするのが望ましい。 本発明の窒化ケイ素基焼結体の製造方法は、六
方晶結晶構造からなる窒化ケイ素焼結体及び三方
晶結晶構造を含有する窒化ケイ素焼結体の両方に
応用できるけれども三方晶結晶構造を含有する窒
化ケイ素焼結体の高硬度及び高靭性への効果が著
しいことから三方晶結晶構造を含有する窒化ケイ
素焼結体の製造方法に応用するのが望ましい。こ
こで使用する周期律表4a、5a族の水素化物並び
に周期律表4a、5a、6a族の亜化学量論組成の炭
化物、窒化物及びこれらの相互固溶体の中の少な
くとも１種は、出発原料中の５〜50重量％含有す
ることが焼結体の分散強化による高靭性化から望
ましいものである。 ここで記載してきた亜化学量論組成とは、非化
学量論組成の中の金属元素が１に対して非金属元
素が１未満の比でなる化合物を示すものである。 （実施例） 実施例 １ 平均粒径0.4μmのSi3N4（α率92％）と平均粒径
0.3〜2μmの各種粉末を使用して第１表の如く各
試料を配合し、この配合した各試料をヘキサン溶
媒中WC基超硬合金製ボールと共にウレタン内張
り容器の中で混合粉砕した。得られた混合粉末か
ら溶媒を蒸発除去後、BN粉末で被覆したカーボ
ンモールド中に充填し、N2ガスで炉内を置換後
100〜400Kg／cm2の成形圧力、1650℃〜1850℃の温
度、50〜90分の保持時間でホツトプレスにより焼
結した。このようにして得た試料の一部は、更に
N2ガス雰囲気中、1500〜1800気圧、1700〜1850
℃の条件でHIP処理した。各試料の焼結条件及び
得られた焼結体の硬度、抗折力及び破壊靭性値を
第２表に示す。
動車、航空機のエンジンを含めた各種部品及びタ
ービン用部品のような構造用部品、更には半導体
用のマウントとして適用できる窒化ケイ素基焼結
体の製造方法に関する。 （従来の技術） 窒化ケイ素は、共有結合性の高い化合物である
ために構成原子の自己拡散係数が小さく、又、高
温で分解及び蒸発したり、更にはイオン結晶や金
属結晶に比べて粒界エネルギーと表面エネルギー
の比が大きいので本質的に難焼結材料の１つとさ
れている。そのために、窒化ケイ素にMgO、
Al2O3、Y2O3、AlNなどの焼結助剤を加えて、
反応焼結法、ホツトプレス法又は熱間静水圧加圧
（HIP）法によつて焼結されている。 （発明が解決しようとする問題点） 窒化ケイ素焼結体の製造方法の内、無加圧焼結
法又は反応焼結法は、金型、スリツプキヤスト、
ラバープレスなどで成形した粉末成形体を黒鉛板
などに置いて焼結し、ホツトプレス法は黒鉛の成
形モールドの中に窒化ケイ素を主体とする混合粉
末を詰めて圧力及び温度を加えて焼結している。
これらの方法によつて得る焼結体を更に、緻密な
焼結体にする目的で黒鉛板又は黒鉛容器内でHIP
処理する方法がとられている。このように窒化ケ
イ素焼結体の焼結工程において、窒化ケイ素が黒
鉛と接触する場合、接触部の黒鉛表面に窒化ケイ
素粉末などの離型材を塗布して焼結中、炭素によ
る焼結体への浸炭及び炭化を防止している。しか
しながら得られる焼結体表面の窒化ケイ素粒子界
面近傍には炭化ケイ素が偏在しており、この炭化
ケイ素が窒化ケイ素基焼結体の強度を劣下させる
という問題がある。 本発明は、上記のような問題点を解決したもの
で、具体的には焼結工程において焼結体中へ浸炭
した炭素を炭素との親和力の大きい元素もしくは
化合物で吸着固溶もしくは化合させて窒化ケイ素
焼結体の強度を劣化させないようにした窒化ケイ
素基焼結体の製造方法の提供を目的とする。 （問題点を解決するための手段） 窒化ケイ素焼結体は、大別すると２種類あり、
その１つはβ型（高温型）である六方晶結晶構造
の焼結体であり、他の１つはα型（低温型）であ
る三方晶結晶構造を含む焼結体である。この内、
前者は、鋳鉄を切削する切削用工具として特に効
果があり、その他耐摩耗用工具又は自動車用エン
ジン部品にと実用化が試みられており、本発明者
らも特願昭57−146582などで提案している。これ
に対して後者は、鋼又は耐熱合金などを切削する
切削用工具として特に効果があり、本発明者らは
特願昭59−33758などで提案している。 本発明者らは、この特願昭57−146582、特願昭
59−33758などの提案に基づいて更に窒化ケイ素
焼結体の高靭性化の追究を行なつたところ焼結過
程中に気相及び液相を介して圧粉体中に侵入して
くる炭素成分が圧粉体を構成している窒化ケイ素
を主体とする各成分と反応して焼結体の欠陥とな
る化合物を形成し、焼結体の強度低下になること
を確認することによつて本発明を完成するに至つ
たものである。 すなわち、本発明の窒化ケイ素基焼結体の製造
方法は、窒化ケイ素と窒化ケイ素以外の添加物で
ある焼結助剤とを含有する混合粉末を真空中又は
非酸化性雰囲気中で無加圧もしくは加圧しながら
1500℃以上の温度により焼結する製造方法におい
て、前記焼結助剤が周期律表4a，5a族金属の水
素化物並びに周期律表4a，5a，6a族金属の亜化
学量論組成の炭化物、窒化物及びこれらの相互固
溶体の中の少なくとも１種を含有していることを
特徴とするものである。この本発明の窒化ケイ素
基焼結体の製造方法は、出発原料としてα−窒化
ケイ素、β−窒化ケイ素、非晶質窒化ケイ素及び
これらの混在した窒化ケイ素を必要により使用す
ることができ、この窒化ケイ素に周期律表1a族
のLi、Na、Ｋ、Rb、Cs、2a族のBe、Mg、Ca、
Sr、Ba、Ra、3a族のSc、Ｙ、ランタノイド、3b
族のＢ、Al、Ga、In、Tl、4b族のGeの酸化物、
窒化物、窒炭化物及びこれらの相互固溶体の中の
少なくとも１種と周期律表4a族のTi、Zr、Hf、
5a族のＶ、Nb、Taの水素化物並びに周期律表4a
族、5a族、6a族の亜化学量論組成の炭化物、窒
化物、炭酸化物、窒酸化物及びこれらの相互固溶
体の中の少なくとも１種とからなる粉末を混合容
器に必要量添加する。この混合容器としては、ス
テンレス製又はセラミツクス製もしくはステンレ
スに超硬合金又はゴムなどを内張したものを使用
でき、この容器にSi2N4系、ZrO2系セラミツクス
ボール、スチールボール、超硬合金製ボールもし
くは不純物の混入を防ぐために表面被覆したボー
ルを加えて乾式で混合粉砕したり、又はヘキサ
ン、アルコール、ベンゼン、アセトンなどの有機
溶剤もしくは水を混合容器に加えて湿式で混合粉
砕できる。こうして混合粉砕した粉末は、カーボ
ン又は黒鉛製の焼結用モールドに詰めて、真空又
は非酸化性雰囲気中でそのまま直接ホツトプレス
による高周波加圧焼結、通電加圧焼結又は非酸化
性雰囲気ガス、例えばN2雰囲気ガスによる加圧
焼結によつて焼結したり、混合粉砕した粉末を金
型成形、押出成形、スリツプキヤステイングによ
る成形又はラバープレスなどの液圧成形によつて
成形した成形体もしくはこの成形体を焼結温度よ
り低い温度で予備焼結した後機械加工した成形体
を真空中又は非酸化性雰囲気中で無加圧焼結（減
圧焼結も含む）あるいは雰囲気ガスで加圧しなが
ら焼結することもできる。また、このような方法
で１度焼結したものをHIP処理を行なつて焼結体
の緻密化の促進及び強度の向上もできる。焼結温
度は、出発原料粉末の種類又は配合成分もしくは
上記製造条件によつても異なるが1500〜1900℃の
温度で相対密度100％近傍の緻密な焼結体が得ら
れる。これらの製造条件の内、焼結体中に混在し
てくる不純物は、焼結工程の他には混合粉砕工程
から混入する度合が高く、不純物の種類としては
混合容器及びボールに含有している成分で、特に
鉄属金属及び周期律表4a、5a、6a族の炭化物、
窒化物、炭窒化物などがあり、この内、特に鉄属
金属が不純物として混入する場合は、焼結体の強
度低下の原因になるために１体積％以下にするこ
とが望ましく、用途によつては製造条件の厳選に
よつて鉄属金属の不純物を0.3体積％以下にする
必要がある。 （作 用） 本発明の窒化ケイ素基焼結体の製造方法は、出
発原料として炭素との親和力が窒化ケイ素よりも
大きい化合物である周期律表4a、5a族の水素化
物並びに周期律表4a、5a、6a族の亜化学量論組
成の炭化物、窒化物及びこれらの相互固溶体の中
の少なくとも１種を含有させるもので、これらの
水素化物や亜化学量論組成の化合物が出発原料
中、主として窒化ケイ素中に含有している不純物
炭素又は焼結工程で存在すカーボンモールド、カ
ーボン発熱体などカーボン材料とによつて気相も
しくは固相反応を起こし、高硬度でかつ、高融点
である周期律表4a、5a、6a族の炭化物、炭窒化
物あるいはこれらの相互固溶体として焼結体中に
均一に分散する。このために、本発明の窒化ケイ
素基焼結体の製造方法によつて得られる焼結体
は、炭化ケイ素又はケイ素と炭素を含有した化合
物など焼結体の欠陥の起点となる化合物が大幅に
減少し、逆に周期律表4a、5a、6a族の炭化物、
炭窒化物又はこれらの相互固溶体からなる分散相
として存在しているために高硬度で高靭性の焼結
体になる。出発原料中に用いる水素化物又は亜化
学量論組成の化合物の内、特に周期律表4a、5a
族の水素化物は、焼結工程での昇温過程中約300
℃〜400℃で水素を分解して、残つた金属成分の
活性を高くし、焼結反応中に侵入拡散してくる炭
素と容易に反応して化合物となることから水素化
物を出発原料とするのが望ましい。 本発明の窒化ケイ素基焼結体の製造方法は、六
方晶結晶構造からなる窒化ケイ素焼結体及び三方
晶結晶構造を含有する窒化ケイ素焼結体の両方に
応用できるけれども三方晶結晶構造を含有する窒
化ケイ素焼結体の高硬度及び高靭性への効果が著
しいことから三方晶結晶構造を含有する窒化ケイ
素焼結体の製造方法に応用するのが望ましい。こ
こで使用する周期律表4a、5a族の水素化物並び
に周期律表4a、5a、6a族の亜化学量論組成の炭
化物、窒化物及びこれらの相互固溶体の中の少な
くとも１種は、出発原料中の５〜50重量％含有す
ることが焼結体の分散強化による高靭性化から望
ましいものである。 ここで記載してきた亜化学量論組成とは、非化
学量論組成の中の金属元素が１に対して非金属元
素が１未満の比でなる化合物を示すものである。 （実施例） 実施例 １ 平均粒径0.4μmのSi3N4（α率92％）と平均粒径
0.3〜2μmの各種粉末を使用して第１表の如く各
試料を配合し、この配合した各試料をヘキサン溶
媒中WC基超硬合金製ボールと共にウレタン内張
り容器の中で混合粉砕した。得られた混合粉末か
ら溶媒を蒸発除去後、BN粉末で被覆したカーボ
ンモールド中に充填し、N2ガスで炉内を置換後
100〜400Kg／cm2の成形圧力、1650℃〜1850℃の温
度、50〜90分の保持時間でホツトプレスにより焼
結した。このようにして得た試料の一部は、更に
N2ガス雰囲気中、1500〜1800気圧、1700〜1850
℃の条件でHIP処理した。各試料の焼結条件及び
得られた焼結体の硬度、抗折力及び破壊靭性値を
第２表に示す。
【表】
【表】
【表】
（発明の効果）
以上の結果、本発明の窒化ケイ素基焼結体の製
造方法は、易焼結性があつて緻密な焼結体が得ら
れやすく、しかも得られる焼結体が高硬度で高靭
性であることから切削用工具部品のような苛酷な
用途からボール、ガイドブツシユ、ロール、ゲー
ジ類、バルブ、ノズル、メカニカルシールなどの
耐摩耗用部品、又はタービン部品、自動車エンジ
ン部品などの構造用部品、更には窒化ケイ素の高
熱伝導性及び高電気絶縁性を利用して半導体用の
マウントとしても応用できるもので産業上有用な
窒化ケイ素基焼結体の製造方法である。
造方法は、易焼結性があつて緻密な焼結体が得ら
れやすく、しかも得られる焼結体が高硬度で高靭
性であることから切削用工具部品のような苛酷な
用途からボール、ガイドブツシユ、ロール、ゲー
ジ類、バルブ、ノズル、メカニカルシールなどの
耐摩耗用部品、又はタービン部品、自動車エンジ
ン部品などの構造用部品、更には窒化ケイ素の高
熱伝導性及び高電気絶縁性を利用して半導体用の
マウントとしても応用できるもので産業上有用な
窒化ケイ素基焼結体の製造方法である。
Claims (1)
- １ 窒化ケイ素と焼結助剤とを含有する混合粉末
を真空中又は非酸化性雰囲気中で無加圧もしくは
加圧しながら1500℃以上の温度により焼結する製
造方法において、前記焼結助剤が周期律表4a，
5a族金属の水素化物並びに周期律表4a，5a，6a
族金属の亜化学量論組成の炭化物、窒化物及びこ
れらの相互固溶体の中の少なくとも１種を含有し
ていることを特徴とする窒化ケイ素基焼結体の製
造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59256835A JPS61136963A (ja) | 1984-12-05 | 1984-12-05 | 窒化ケイ素基焼結体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59256835A JPS61136963A (ja) | 1984-12-05 | 1984-12-05 | 窒化ケイ素基焼結体の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61136963A JPS61136963A (ja) | 1986-06-24 |
| JPH0463030B2 true JPH0463030B2 (ja) | 1992-10-08 |
Family
ID=17298084
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59256835A Granted JPS61136963A (ja) | 1984-12-05 | 1984-12-05 | 窒化ケイ素基焼結体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61136963A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3889536B2 (ja) | 1999-10-29 | 2007-03-07 | 日本特殊陶業株式会社 | セラミックヒータ及びその製造方法、並びに該セラミックヒータを備えるグロープラグ |
| JP4497787B2 (ja) * | 2002-04-04 | 2010-07-07 | 株式会社東芝 | 転動ボール |
| JP5295983B2 (ja) * | 2010-01-12 | 2013-09-18 | 株式会社東芝 | 窒化けい素製耐摩耗性部材の製造方法 |
| JP7717478B2 (ja) * | 2021-03-30 | 2025-08-04 | デンカ株式会社 | セラミックス焼結体及びその製造方法、並びに窒化ケイ素粉末 |
-
1984
- 1984-12-05 JP JP59256835A patent/JPS61136963A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61136963A (ja) | 1986-06-24 |
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